電噴柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)工作原理與故障處理

馬 川 于風(fēng)衛(wèi) 韓加卓 李永鵬

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，船舶智能化程度日益提高。對(duì)于船舶裝置的智能化而言，電噴柴油機(jī)的應(yīng)用較具代表性，2010年以后下水的船舶幾乎全部采用電噴柴油機(jī)作為主動(dòng)力推進(jìn)裝置。

電噴柴油機(jī)的噴油定時(shí)、排氣定時(shí)、起動(dòng)定時(shí)及輔助系統(tǒng)（輔助風(fēng)機(jī)、伺服油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)）均采用計(jì)算機(jī)控制，完成上述控制的系統(tǒng)為主機(jī)控制系統(tǒng)（Engine Control System，ECS）。主機(jī)控制系統(tǒng)一般由汽缸控制單元（Cylinder Control Unit，CCU）、主機(jī)控制單元（Engine Control Unit，ECU）、輔助控制單元（Auxiliary Control Unit，ACU）、曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)構(gòu)成。其中，曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)為主機(jī)控制系統(tǒng)提供進(jìn)行噴油、排氣和起動(dòng)控制所需的曲柄角度信息，曲柄角度信息一旦錯(cuò)誤，柴油機(jī)控制信號(hào)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)亂，極易引發(fā)嚴(yán)重事故。

曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)是電噴柴油機(jī)的核心部件之一，目前網(wǎng)絡(luò)資料和教材中尚沒(méi)有該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及常見(jiàn)故障的詳細(xì)介紹。為幫助輪機(jī)人員熟悉電噴柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)工作原理、提高日常管理水平，本文以MAN B&W ME-C系列電噴柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹船舶電噴柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)組成及工作原理，分析系統(tǒng)常見(jiàn)故障并提出解決方案，最后針對(duì)常見(jiàn)故障提出曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)日常管理的建議。

二、曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)組成及原理

（一）曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)組成

MAN B&W ME-C電噴柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)由角度編碼器（Angle Encoder）、信號(hào)放大器（Tacho System Amplifier，TSA）、汽缸控制單元及主機(jī)控制單元組成，如圖1所示。其中，角度編碼器和信號(hào)放大器均設(shè)置兩套，互為冗余。

角度編碼器分為A和B兩組，每組設(shè)置4個(gè)探頭（接近開(kāi)關(guān)）。在角度編碼器A中，標(biāo)號(hào)為Q1A和Q2A的探頭安裝位置一般相差1/4或3/4齒距，其作用是輸出一系列脈沖頻率信號(hào)，從而根據(jù)脈沖頻率計(jì)算出轉(zhuǎn)速，根據(jù)兩探頭輸出信號(hào)相位情況判斷轉(zhuǎn)向。標(biāo)號(hào)為MMA和MSA的探頭分別安裝在第1缸上止點(diǎn)（Top Dead Center，TDC）位置及第1缸上止點(diǎn)后90°位置，其作用是進(jìn)行曲柄特定角度的位置檢測(cè)。為有效進(jìn)行特定位置檢測(cè)，在角度編碼器中都設(shè)有半圓環(huán)。角度編碼器的安裝位置位于柴油機(jī)自由端，為進(jìn)行角度位置校準(zhǔn)，安裝時(shí)將MSA探頭移至飛輪端，安裝位置不變。角度編碼器B與A基本相同，只是標(biāo)記位置探頭MMB和MSB的安裝位置分別在第1缸上止點(diǎn)后45°和135°。

圖1 曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)組成

信號(hào)放大器分為A和B兩套，稱為TSA-A和TSA-B，安裝于角度編碼器旁邊機(jī)座上，左右各一套。其作用是對(duì)角度編碼器信號(hào)進(jìn)行放大和整形，并將調(diào)理后的信號(hào)送至汽缸控制單元和主機(jī)控制單元。

汽缸控制單元和主機(jī)控制單元分別安裝在特定控制箱內(nèi)，電噴柴油機(jī)的每個(gè)缸都對(duì)應(yīng)一個(gè)汽缸控制單元CCU，主機(jī)控制單元一般設(shè)置兩套，分別為ECUA和ECUB。關(guān)于汽缸控制單元和主機(jī)控制單元的原理詳見(jiàn)相關(guān)電噴柴油機(jī)資料[1]，本文僅闡述其與曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)相關(guān)的功能。汽缸控制單元CCU和主機(jī)控制單元ECU依據(jù)角度編碼器發(fā)出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及特定標(biāo)記位置信息進(jìn)行計(jì)算，從而得出曲柄角度信息，汽缸控制單元據(jù)此角度進(jìn)行噴油、排氣和起動(dòng)控制。

MAN B&W ME-C電噴柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)有兩套，互為冗余。系統(tǒng)各部件之間的連接情況及結(jié)構(gòu)如圖2所示，該圖依據(jù)實(shí)船圖紙精簡(jiǎn)繪制。曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的信號(hào)線連接從一個(gè)ECU開(kāi)始至另一個(gè)ECU結(jié)束，兩套曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的供電電源分別來(lái)自ECUA和ECUB，這種連接方式實(shí)現(xiàn)了兩套系統(tǒng)互為冗余。

（二）曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)測(cè)量原理

圖2 曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)連接圖

如前文所述，曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)中的角度編碼器將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向及標(biāo)志位置的脈沖頻率信號(hào)經(jīng)TSA放大后送到汽缸控制單元CCU和主機(jī)控制單元ECU。在CCU和ECU中，可計(jì)算出轉(zhuǎn)速n為

式中：Z為齒輪齒數(shù)；f為脈沖頻率，Hz。

將轉(zhuǎn)速n的單位r/min轉(zhuǎn)換為角速度可表示為6n °/s。

MAN B&W ME-C電噴柴油機(jī)曲柄角度可精確到0.1n，曲柄角度轉(zhuǎn)過(guò)0.1n所需時(shí)間t為

當(dāng)角度編碼器經(jīng)過(guò)標(biāo)記位置探頭時(shí)，汽缸控制單元CCU和主機(jī)控制單元ECU開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間用tc表示。由式（2），在計(jì)時(shí)時(shí)間tc內(nèi)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度θa可表示為

角度編碼器中的半圓環(huán)每經(jīng)過(guò)一個(gè)標(biāo)記位置探頭時(shí)，重新開(kāi)始計(jì)時(shí)tc=0。若CCU和ECU每10μs刷新一次曲柄角度，則每隔10μs計(jì)算一次θa即可。

曲柄轉(zhuǎn)角角度θCA可表示為

式中：θM為標(biāo)記位置探頭所在角度，°。

此時(shí)的曲柄角度為電噴柴油機(jī)第1缸的曲柄角度，其他缸的曲柄角度可根據(jù)柴油機(jī)汽缸數(shù)量及各缸發(fā)火順序依次推斷。

當(dāng)電噴柴油機(jī)的主機(jī)控制系統(tǒng)斷電重啟后，曲柄角度信息會(huì)消失。此時(shí)，柴油機(jī)將根據(jù)角度編碼器中標(biāo)記位置探頭和半圓環(huán)的位置估算曲柄角度，如圖3所示。

圖3 曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)標(biāo)記位及測(cè)速探頭位置圖

一般估算方法是根據(jù)標(biāo)記位置探頭MMA、MSA、MMB和MSB的輸出狀態(tài)，表1為曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)標(biāo)記位置探頭與曲柄角度對(duì)應(yīng)關(guān)系。確定曲柄角度的大致范圍（45°曲柄轉(zhuǎn)角），以該范圍的中間角度作為曲柄角度，此時(shí)曲柄角度偏差不超過(guò)22.5°，可以保證柴油機(jī)正常起動(dòng)。待柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，CCU和ECU即可根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)重新計(jì)算曲柄角度。

表1 曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)標(biāo)記位置探頭與曲柄角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

三、常見(jiàn)故障分析及解決

在日常管理中，準(zhǔn)確分析和判斷曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的故障并及時(shí)解決非常重要。本部分列出了曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)常見(jiàn)故障并提出解決方案，供管理人員參考。

（一）角度編碼器軸滑移

故障現(xiàn)象：電噴柴油機(jī)MOP中，兩組角度編碼器偏差超過(guò)1°，出現(xiàn)角度編碼器偏差大報(bào)警信息。

故障原因：兩套角度編碼器均安裝在柴油機(jī)自由端，此處振動(dòng)較大。角度編碼器轉(zhuǎn)軸是通過(guò)內(nèi)六角螺栓固定在柴油機(jī)自由端輸出軸上的，若螺栓松動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致角度編碼器轉(zhuǎn)軸滑移，進(jìn)而出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確的情況。若兩套角度編碼器均出現(xiàn)滑移，將會(huì)導(dǎo)致角度信息錯(cuò)亂，從而出現(xiàn)故障。

故障解決方案：（1）檢查角度編碼器轉(zhuǎn)軸和殼體標(biāo)記是否對(duì)齊。檢查方法是柴油機(jī)停車時(shí)，盤車至第1缸上止點(diǎn)位置，此時(shí)角度編碼器轉(zhuǎn)軸和殼體標(biāo)記應(yīng)對(duì)齊。若沒(méi)有對(duì)齊，說(shuō)明出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸滑移。（2）對(duì)出現(xiàn)滑移的角度編碼器轉(zhuǎn)軸重新校正，以角度編碼器A為例進(jìn)行闡述。第一步：合上盤車機(jī)，打開(kāi)示功閥。第二步：盤車至飛輪0°，松開(kāi)角度編碼器A轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)六角鎖緊螺栓，在調(diào)節(jié)孔中插上銷子，手動(dòng)正車旋轉(zhuǎn)角度編碼器A，直到TSA-A上的指示燈剛剛變亮。若剛開(kāi)始該燈是亮的，先正車方向手動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度編碼器A，使其熄滅，然后再重復(fù)上述操作。指示燈剛變亮?xí)r，鎖緊內(nèi)六角固定螺母。第三步：盤車確認(rèn)飛輪在0°至180°之間時(shí)，TSA-A指示燈一直為點(diǎn)亮狀態(tài)。（3）在MOP中，Maintenance—Function Test—Tacho。根據(jù)提示步驟，完成角度編碼器靜態(tài)測(cè)試，如圖4所示。若角度編碼器B出現(xiàn)滑移，按照同樣步驟進(jìn)行校正。

（二）角度編碼器接線松動(dòng)及接觸不良

故障現(xiàn)象：不定時(shí)出現(xiàn)角度編碼器A或B信號(hào)丟失，進(jìn)而引發(fā)角度錯(cuò)誤或偏差大報(bào)警，報(bào)警復(fù)位后，兩組曲柄轉(zhuǎn)角信息均正常。此故障出現(xiàn)沒(méi)有規(guī)律性，但故障現(xiàn)象具有相似性。

圖4 角度編碼器靜態(tài)測(cè)試

故障原因：角度編碼器連接電纜接口采用的是航空插頭，在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)較大時(shí)，插頭連接處及電纜與航空插頭接線處容易出現(xiàn)插頭松動(dòng)或電纜磨損，從而導(dǎo)致接線松動(dòng)或接觸不良的情況發(fā)生。

故障解決方案：（1）在合適情況停車處理，檢查角度編碼器與TSA之間電纜連接情況，特別是角度編碼器的電纜接頭。多數(shù)情況下，故障出現(xiàn)在角度編碼器接頭處。（2）若角度編碼器接頭處出現(xiàn)松動(dòng)或電纜磨損，應(yīng)拆開(kāi)接頭連接處，檢查插頭端子是否損壞或臟污，必要時(shí)進(jìn)行清潔；檢查電纜與接頭的連接是否牢固，必要時(shí)可用萬(wàn)用表測(cè)量接頭處電纜到TSA內(nèi)接線端子間的電纜連通情況。

（三）角度編碼器供電故障

故障現(xiàn)象：曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)出現(xiàn)電源故障，TSA左上角指示燈一直處于熄滅狀態(tài)，正常情況下，該指示燈會(huì)隨著曲柄角度變化而閃爍。停車檢查后，角度編碼器轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)記與殼體標(biāo)記重合，接頭沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象。萬(wàn)用表測(cè)量TSA內(nèi)電源端子，沒(méi)有電壓。若兩套曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)均出現(xiàn)電源故障，CCU和ECU將收不到曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)，柴油機(jī)將停車。

故障原因：由圖2可知，角度編碼器A和TSAA由ECUA供電，角度編碼器B和TSA-B由ECUB供電。若出現(xiàn)電源故障，多數(shù)情況是由于ECUA或ECUB對(duì)外供電出現(xiàn)問(wèn)題。

故障解決方案：以TSA-A供電故障為例進(jìn)行闡述。（1）用萬(wàn)用表測(cè)量TSA-A箱內(nèi)電源情況。若沒(méi)有電壓，則進(jìn)一步測(cè)量ECUA中J40通道的A和D端子間電壓情況，若還沒(méi)有電壓，則說(shuō)明ECUA對(duì)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的供電通道出現(xiàn)問(wèn)題。（2）繼續(xù)測(cè)量ECUA中J41-J47通道的A和D端子是否有電壓，如果電壓為24 V，則將J40通道A和D端子接線移至J41-J47中任一通道的A和D端子即可。（3）如果J40-J47通道的A和D端子均沒(méi)有電壓，則說(shuō)明這些通道的保險(xiǎn)損壞，檢查更換即可。

（四）飛輪端MSA標(biāo)記位置探頭故障

故障現(xiàn)象：安裝在飛輪端的MSA標(biāo)記位置探頭指示燈無(wú)閃爍，曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)A和B的曲柄角度偏差大，MOP中出現(xiàn)曲柄角度偏差大報(bào)警。

故障原因：角度編碼器A中有兩個(gè)標(biāo)記位置探頭，為了進(jìn)行角度校準(zhǔn)，MSA標(biāo)記位置探頭安裝在飛輪端。MSA標(biāo)記位置探頭會(huì)由于與飛輪距離發(fā)生變化及振動(dòng)大等原因出現(xiàn)故障，最直接的判斷方式是觀察探頭上指示燈閃爍情況。

故障解決方案：在TSA-A箱內(nèi)，有兩組MSA標(biāo)記位置探頭連接線，分別來(lái)自飛輪端MSA探頭和角度編碼器內(nèi)部MSA探頭。TSA使用的是來(lái)自飛輪端的探頭連接線，而角度編碼器內(nèi)部的MSA探頭連接線在箱子內(nèi)處于懸空狀態(tài)沒(méi)有使用。飛輪端MSA探頭出現(xiàn)故障后，處理方案是在TSA-A箱內(nèi)，用角度編碼器內(nèi)部MSA探頭連接線臨時(shí)代替飛輪端MSA探頭連接線，待飛輪端探頭修復(fù)后，再恢復(fù)即可。

四、日常管理建議

電噴柴油機(jī)日常管理中應(yīng)特別注意對(duì)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的檢查與測(cè)試，針對(duì)曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)常見(jiàn)故障，提出以下管理建議：

（1）每航次或長(zhǎng)時(shí)間航行后，檢查角度編碼器鎖緊螺栓是否松動(dòng)，必要時(shí)用內(nèi)六角扳手緊固。檢查MOP界面Maintenance—Function Test中Delta Tacho B里面的數(shù)值應(yīng)小于1°。

（2）定期盤車檢查在上止點(diǎn)時(shí)，TSA-A指示燈點(diǎn)亮；在飛輪上止點(diǎn)后45°時(shí)，TSA-B指示燈點(diǎn)亮。若指示燈點(diǎn)亮?xí)r，飛輪角度相差太大，應(yīng)重新松開(kāi)角度編碼器鎖緊螺栓進(jìn)行調(diào)整并校正。

（3）定期檢查角度編碼器連接電纜是否磨損，電纜插頭連接是否松動(dòng)，必要時(shí)進(jìn)行緊固。

（4）定期檢查安裝于飛輪端MSA標(biāo)記位置探頭與飛輪的間隙情況，該間隙一般為3±1 mm，間隙過(guò)大易造成脈沖信號(hào)丟失。

（5）定期檢查角度編碼器傳動(dòng)安裝軸的徑向偏移情況，要求該軸徑向偏移量在±0.3 mm以內(nèi)。

（6）角度編碼器進(jìn)行調(diào)整后，必須在MOP中做靜態(tài)測(cè)試。

五、結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析并給出曲柄轉(zhuǎn)角角度的計(jì)算方法，列舉了曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，分析故障產(chǎn)生原因，并提出解決方案，最后提出曲柄轉(zhuǎn)角系統(tǒng)日常管理的建議，為提高輪機(jī)人員管理水平、降低電噴柴油機(jī)故障發(fā)生率提供一定參考。